矿山法隧道排水量与水压力关系研究

矿山法隧道的防排水体系中,防水体系是为防止隧道渗漏水而采取的工程措施,主要有注浆防水、防水层防水、衬砌本体防水及结构“三缝”防水等措施;排水体系是在隧道内外建立排水系统,排放、疏干、引导隧道周边地下水和隧道内积水的工程措施。伴随着隧道工程的发展,矿山法隧道的施工工艺逐步提高,施工技术不断创新,其构造方面实施的隧道防排水技术主要有以下4种类型:

①从围岩、结构和附加防水层着手以防为主的水密型防水类型,即采用全包防水方式将地层渗水隔离于二衬之外,提高复合式衬砌的防水能力[见图6.1(a)]。

②从泄水、疏水着手考虑以排为主的泄水型或引流自排型防水类型,通过引走衬砌背后的地下水,从而达到降低地下水位,减小衬砌背后水压力的目的[见图6.1(b)]。

③防排结合的控制型防水类型,通常采用半包防水方式,允许地下水部分排放,既保证了结构安全,又降低了衬砌背后的水压力[见图6.1(c)]。

④在邻近大型水源(如水库)或高水压富水等特殊水环境中,难以通过有效手段完全阻止地下水渗入隧道内,此时可采用全包(封堵)并配合二衬外排水系统的防水形式[见图6.1(d)]。(www.xing528.com)

根据国内外隧道防排水经验,全包水密型防水方式适用于对地下水环境保护要求较高、地层沉降控制要求严格的工程,但因需要衬砌承担全部水压力,通常设计衬砌厚重,施工工序复杂,周期长,造价较高,且需要准确计算隧道开挖后的涌水量大小,预测运营期衬砌背后水压力,充分考虑外部环境改变对其造成的影响,以保证隧道的耐久性和安全性。自排型防水方式可用于对地表沉降没有严格要求的工程中,结合其他防排水措施和设备将地下水排除隧道外,直接降低隧道结构的直接造价,但长期大量排水可能使衬砌背后围岩裂隙被冲刷形成空洞,对隧道结构承载不利,且该方法不宜用于穿越江海或毗邻水库等富水地区,后期运营维护成本也相对较高。防排结合(半包)的方式结合前述两种方式的优点,在控制地层沉降、减小衬砌外水压力的同时,也保护了生态环境,可根据对地下水位和地层变形监控数据实时调整排水量,长期保持隧道运营的稳定。全堵(包)配合排水型则依据特殊地下水环境,合理利用注浆层、防水板等方式对地下水进行封堵,同时在防水板与初衬间设置排水系统,对无法有效控制的地下水予以排放,以减小外水压力。“堵”的主要作用是控制隧道的涌水量;“排”则是为了降低作用在衬砌上的外水压力。当两者之间达到一个动态平衡,对隧道结构最为有利[46][175][183-184]。可见,③和④的防排水理念基本相同,遵从“堵排结合,限量排放”的原则,体现出控制性防排水的优势。

图6.1　矿山法隧道防水构造

考虑城市隧道的特殊性,控制型防排水技术可通过主动控制隧道运营期排水量调节二衬外水压力,因而从结构受力特性、经济性和保护生态环境方面考虑,都是城市隧道的最佳选择。此时,分析隧道运营期排水量和二衬外水压力的关系已成为隧道设计中的关键问题。

为探明矿山法隧道运营期排水量与水压力的关系,本章首先利用地下水渗流理论、复变函数保角映射理论和二维稳态流动的复变函数理论,并结合围岩-支护结构精细化模型和气象因素,分别对高水位和低水位隧道运营期排水量及二衬外水压力进行理论分析,然后依托在建的深圳某大型地下立交工程,选取典型的高水位和低水位区段,对不同注浆圈渗透系数和厚度条件下城市隧道排水量及水压力之间的关系进行理论研究。为剖析隧道排水系统(排水管)正常工作时,二衬背后水压力与排水量之间的关系,利用FLAC3D有限差分软件建立三维空间模型,以主动控制隧道排水量调节二衬外水压分布进行分析,并对每种排水量工况考虑不同的注浆效果以测试其对水压力的影响。最后以室内模型试验复核有限元分析中的排水量与水压力的关系。